EI32-JD计算机联锁系统中电磁兼容机柜的设计方法

吴民祖

（西安铁路信号工厂，西安 710048）

铁路新技术的发展及高速铁路时代的到来，对计算机联锁设备的综合性能提出了更高的要求。这就要求计算机联锁设备必须满足电磁兼容（EMC）的相关标准，符合电磁兼容及环境安全等级要求，同时能够满足设备自身的电气功能。

1 电磁兼容的基本概念

电磁兼容，指电子设备或系统不仅应具有抑制外部电磁干扰（EMI）的能力，而且所产生的EMI不得影响同一电磁环境中其他电子设备的正常工作。国家标准对电磁兼容的定义是：“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁干扰（Electro Magnetic Interference，EMI）的能力。” 电磁环境是指存在于给定场所的所有电磁现象。电磁兼容是研究EMI的学科，EMC内含了抗干扰和电磁辐射控制两方面。所以要分析EMI的基本要素，即EMI源、EMI传递途径（传导、辐射、耦合）、接收EMI的响应者。分析这3个要素相当复杂，不同的场合有不同的表现，总的来说，根据电磁感应、趋肤效应、电磁振荡和电磁传播等基本物理规律可知，电磁物理量随时间变化越快，越容易产生EMI；频率越高越容易产生辐射；电磁场强度与距离平方成反比；灵敏度高的未屏蔽的电路容易产生耦合等。仔细分析电磁干扰及传播途径，有利于制定切实可行的电磁兼容解决方案。电磁干扰的传播路径如图1所示。

2 电磁兼容的控制技术

电磁兼容设计的关键技术是对EMI源的分析研究，从EMI源处控制电磁辐射是治本的方法。控制干扰源的发射，除了从EMI源产生的机理着手降低其产生电磁噪音的电平外，需要广泛地应用屏蔽、滤波、接地和浪涌抑制技术等。

2.1 屏蔽技术

屏蔽就是对两个空间区域之间用屏蔽体进行隔离，以控制电场、磁场和电磁波由一个区域对另一个区域的感应和辐射。在实际的EMI屏蔽中，电磁屏蔽效能很大程度上取决于机箱的物理结构，即导电的连续性。通常解决机箱缝隙电磁泄露的方法是在缝隙处使用EMC密封衬垫，它能够保持缝隙处导电连续性。

2.2 滤波技术

滤波技术在抑制EMI信号的传导干扰和某些辐射干扰方面，具有明显的效果。抑制电源线上干扰最有效的方法是在电源输入线路中，加装电源EMI滤波器。电源滤波器应尽量靠近设备交流电入口处安装，切记滤波器必须有良好的接地。

铁氧体是一种亚铁磁性材料，利用高导磁材料掺合其他一种或多种镁、锌、镍等金属在2 000 ℃烧结而成。铁氧体抗干扰磁芯是新型价廉的干扰抑制器件，其作用相当于低通滤波器，能较好地解决电源线、信号线和连接器的高频干扰抑制问题，而且具有简单、方便、占用空间小等优点。

2.3 接地技术

接地的定义是电流返回其源的低阻通道。对我们来说就是与大地连接的机柜体。在EMC产品中合理的接地是最经济有效的电磁兼容技术。是解决EMI问题最廉价的有效方法，良好的接地既能提高抗干扰度，又能减少干扰发射。

2.4 浪涌抑制技术

浪涌也叫突波，是指超出正常工作电压的瞬间过电压。浪涌是发生在仅仅几百万分之一秒时间内的一种剧烈脉冲。引起浪涌的原因：直接雷击和间接雷击（雷电感应、雷电波侵入）电路的突然短路和断路、电源切换、电力机车的启动、受电弓的起落等。

电涌保护是指使用一种高效能的电路保护器，当它承受瞬态高压、高能量脉冲时，快速（10-9s）由原来的高阻抗变为低阻抗，并将瞬变高压干扰脉冲抑制到预定电压，从而有效地保护设备和敏感器件不受损坏，使电路工作不受干扰。

3 EI32-JD计算机联锁系统的硬件组成

EI32-JD计算机系统由联锁机柜、综合机柜、防雷分线柜和控制台等组成。其核心机柜是联锁机柜。联锁机柜中的联锁机和驱采机均为二乘二取二结构，各自分为Ⅰ、Ⅱ系，各系内部为二取二结构，即联锁机及驱采机均为双系（双硬件体系）冗余工作，双系中每一单系均包括双套计算机实时校核工作。每一单系中必须双机工作一致才能对外输出，实现全系统的高安全性；任一单系检出故障均可立即倒向备系工作，实现全系统的高可靠性。

联锁机柜机壳主要零部件包括：顶板，固定螺柱，风扇组件，骨架组件，左、右门组件，侧门组件，出线板组件，底板组件和底座组件等；机柜内置零部件主要包括：驱采电源机箱、驱采电源插箱、联锁机箱、驱采机箱、接地汇流排、接地铜母线、尼龙绝缘垫板、机箱支架和铝型材立轨等。

4 联锁机柜电磁兼容的设计方法

利用电磁兼容理论并综合分析计算机联锁设备所处的工作环境，认为计算机联锁设备在车站的机械室内遭受的EMI按频段细分主要有如下几种：工频干扰（50 Hz）周围的电源屏及电力牵引系统，波长6 000 km；载频频段干扰包括高压直流输电谐波干扰、交流输电谐波干扰及交流电气化铁道的谐波干扰等，频谱在10～300 kHz之间，波长大于1 km；射频、视频干扰（300 kHz～300 MHz），内燃机车、电动转辙机等，波长1～1 000 m之间和微波干扰300 MHz～300 GHz）波长1 mm～1 m之间等。周围设备有CTC、TDCS、ATS、DCS、电源屏等。EMI干扰来自系统内部的有：驱动采集电路板、联锁电路板、高速运转的CPU板、电源干扰、地线干扰和信号通道的耦合干扰（容性耦合、感性耦合）等。其中联锁机箱和驱采机箱安装日信的驱动采集电路板、联锁电路板、高速运转的CPU板等，易产生强的电磁辐射，且它们的抗干扰能力在日本已经过严格测试，能适应车站环境。车站信号楼本身有防雷设施，且从室外设备引入的信号线等均经防雷分线柜进入联锁机柜，在防雷分线柜中，每一根信号线均进行了防雷保护，电源线在防雷分线柜的底部引处有些加装了电源滤波器、浪涌保护器等。故从电磁兼容角度讲，防雷问题在防雷分线柜中得到解决；对周围设备讲，EMI源是联锁机箱和驱采机箱；对计算机联锁设备来讲，EMI源是周围设备产生强的EMI。我们采取的措施是切断EMI的传递途径。

为切断EMI的传递途径，重点放在联锁机柜的电磁屏蔽设计上。在机柜、联锁机箱和驱采机箱的结构设计上严格按电磁兼容的要求采用多层拦截的方法，使联锁设备处在一个相对安全的内部环境中，且联锁设备的电磁辐射不影响周围设备的正常工作。为此，联锁设备的结构按以下方法进行设计。

4.1 骨架组件的设计方法

材质为铝合金（6063）表面导电氧化处理，8个连接角为压铸铝。铝合金型材设计时，注意装入机柜后6个外表面必须有凸沿，以保证与顶板、门板和底座上EMC密封垫的严实合缝，抵制电磁泄露。8个连接角与铝合金型材接触面涂导电胶，并用螺钉固定紧密。这样骨架就独自组成1个等电位体。

4.2 风扇组件的设计方法

材质为镀锌钢板，上表面通风口处加装EMC屏蔽网，EMC屏蔽网必须与镀锌表面360°接触且清洁无杂物。连接孔周边Ф30 mm范围为镀锌表面，以保证与EMC密封垫圈及固定螺柱周边360°接触。

4.3 顶板的设计方法

材质为镀锌钢板，连接孔周边Ф30 mm范围为镀锌表面，以保证与EMC密封垫及固定螺柱的周边360°接触。为增强屏蔽效能，顶板和风扇组件形成迂回风通道。

4.4 左、右门组件和侧门的设计方法

材质均为镀锌钢板，门板与EMC密封垫接触表面必须为镀锌面且清洁无杂物，EMC密封垫的位置必须与骨架组件的凸沿正对，并保证EMC密封垫与骨架凸沿360°严实合缝。侧门和骨架间的连接螺钉等必须设计在EMC密封垫位置的外围，以防止连接孔处泄露EMI。

4.5 出线板、底板和底座组件的设计方法

进出机柜的所有导线必须从出线板通过，信号线、电源线分类引入，电源线必须加装EMC磁环或电源滤波器等防止干扰进入机柜。信号线如果是屏蔽线必须剥开屏蔽层，屏蔽层与出线板周边之间360°可靠接触。所有导线与出线板周边之间360°范围内用导电泡沫棉填充。出线板和底板之间表面为镀锌表面且两者之间加EMC密封垫，保证360°可靠接触。

底座组件上表面和骨架组件下表面相连，底座组件上表面为镀锌表面，且必须在两连接面之间加EMC密封垫。底板（镀锌板）固定于底座组件之上，且必须在两接触面之间加EMC密封垫保证360°可靠接触。

上述顶板、固定螺柱、风扇组件、骨架组件、左右门组件、侧门组件、出线板组件、底板组件和底座组件等组成一个封闭的等电位体，对EMI进行第一次屏蔽阻断。

4.6 驱采电源机箱和驱采电源插箱

驱采电源机箱用于安装驱采电源插箱，如图2、3所示。要求图2和图3涂黑部分及后背板表面镀锌并加EMC屏蔽垫条，通风孔处加EMC屏蔽网。这样驱采电源插箱插入驱采电源机箱后形成一个封闭内腔，使驱采电源机箱自身形成一个等电位体。

4.7 联锁机箱和驱采机箱

联锁机箱和驱采机箱结构完全相同，用于安装联锁板、驱动采集板等，如图4所示。联锁机箱和驱采机箱为重点防护对象，如图4要求顶部和底部加EMC屏蔽网，前面加EMC屏蔽门，EMC屏蔽门和机箱之间加EMC屏蔽垫条，光纤出入口设计活动挡板使光纤口的尺寸可以调到最小来减小电磁泄露。使联锁机箱和驱采机箱各自构成一个等电位体，形成对EMI第二次屏蔽阻断。联锁机箱、驱采机箱和机壳之间加尼龙绝缘垫板，使联锁机箱和驱采机箱浮地，如图5所示。

4.8 接地铜母线

接地铜母线安装于机柜侧面，按U（44.45）的整数倍分布若干M4螺纹孔为机柜内设备提供接地线，表面镀锡处理，如图5所示。

4.9 接地汇流排

接地汇流排为矩形断面安装于底板上表面，大约有12个M6接线端子，如图5所示。柜内所有的接地线在此汇集，并与静电地板下的接地铜排相连至大地。

4.10 立轨、机箱支架和尼龙绝缘垫板

立轨与柜体之间加尼龙绝缘垫板，使二者之间绝缘，联锁机箱、驱采机箱与机箱支架间加尼龙绝缘垫板，通过二次绝缘来提高联锁机箱、驱采机箱和柜体之间的绝缘性能，从而使联锁机箱和驱采机箱彻底浮地，如图5所示。

[1]周志敏，纪爱华．电磁兼容技术[M]．北京：电子工业出版社，2007.

[2]科技运[2008]36号 客运专线铁路信号产品暂行技术条件汇编（一）[S].